KR20180124834A - 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법 및 섬유 강화 플라스틱 - Google Patents

Abstract

일방향으로 배향된 강화 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그의 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 프리프레그를 노치 프리프레그라고 하면, 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군을 복수매 적층하여 프리프레그 적층체를 얻는 적층 공정과, 프리프레그 적층체를 상면과 측면을 포함하는 틀의 상면에 배치하거나 또는 하면과 측면을 포함하는 틀의 하면에 배치하고, 측면을 따라 굽힘 부형하여 대략 틀 형상으로 한 프리폼을 얻는 부형 공정과, 부형 공정에서 사용된 틀과는 다른 틀에 프리폼을 배치하여 고화하는 고화 공정을 포함하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법. 핫 포밍에 의해 우수한 표면 품위와 역학 특성을 발현하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법을 제공한다.

Description

섬유 강화 플라스틱의 제조 방법 및 섬유 강화 플라스틱

본 발명은 높은 역학 특성을 갖는 섬유 강화 플라스틱 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

강화 섬유와 수지로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱은 비강도, 비탄성률이 높아 역학 특성이 우수한 점, 내후성, 내약품성 등의 고기능 특성을 갖는 점 등 때문에 산업 용도에 있어서도 주목되며, 항공기, 우주선, 자동차, 철도, 선박, 전자제품, 스포츠 등의 구조 용도로 전개되어, 그 수요는 해마다 높아지고 있다.

항공기 등의 구조 부재에 사용되는 섬유 강화 플라스틱은 높은 역학 특성이 요구되어 연속된 강화 섬유에 수지를 함침한 프리프레그의 적층체를 소정의 형상으로 부형하여 프리폼으로 하고, 프리폼을 오토클레이브 등에 의해 고화하여 성형된다.

프리폼을 얻는 수단으로서, 광폭의 프리프레그를 섬유 방향으로 재단하여 세로폭으로 분할한 슬릿 테이프 프리프레그를, 자동기를 이용하여 연속적으로 적층시키는 오토 화이버 플레이스먼트라고 불리는 방법이 알려져 있다(예를 들면, 특허문헌 1). 실질 2차원 변형된 세로폭의 슬릿 테이프 프리프레그를 배열함으로써, 복잡한 3차원 형상이라도 부형 가능하게 하고 있다.

저렴한 광폭의 프리프레그를 이용하고 또한 생산성이 높은 부형 공정을 실현하기 위해, 미리 자동기를 사용하여 고속으로 평판 형상으로 적층한 프리프레그의 적층체를 열을 가하면서 틀에 압박하여 3차원 형상으로 부형해 나가는 핫 포밍이라고 불리는 부형 방법이 개발되어 있다(예를 들면, 특허문헌 2).

국제 공개 2009/052263호 공보 국제 공개 96/06725호 공보

그러나, 특허문헌 1의 기술에서는 슬릿 테이프 프리프레그는 소망의 형상으로 배열하기 위해 시간을 요하여 생산성이 낮고, 광폭의 프리프레그를 재단하여 슬릿 테이프 프리프레그로 하는 공정이 증가되기 때문에 재료비 자체도 높아진다고 하는 문제가 있었다.

또한, 특허문헌 2의 기술에서는 핫 포밍에 의해 프리프레그 적층체를 3차원 형상으로 부형할 때, 3차원 형상에 완전히 추종하지 못하여 주름이 발생하거나, 또는 강화 섬유가 땅겨져서 틀과의 사이에서 강화 섬유를 포함하지 않는 수지 리치부가 발생되는 문제가 있다. 주름이나 수지 리치부는 섬유 강화 플라스틱의 표면 품위나 역학 특성을 저하시키는 결함이 될 수 있기 때문에 주름이 없는 프리폼으로 부형하는 것이 중요하다.

본 발명의 과제는 이러한 배경 기술에 있어서의 문제점을 감안하여, 핫 포밍에 의해 주름이 없는 프리폼으로 부형할 수 있고, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때에 높은 역학 특성을 발현하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법을 제공하는 것이다. 또한, 본 발명의 다른 과제는 복잡한 형상을 가지면서도 높은 역학 특성을 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제공하는 것이다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은, 이러한 과제를 해결하기 위해서 다음의 구성을 갖는다. 즉,

일방향으로 배향된 강화 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그의 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 프리프레그를 노치 프리프레그라고 하면, 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군을 복수매 적층해서 프리프레그 적층체를 얻는 적층 공정과,

프리프레그 적층체를 상면과 측면을 포함하는 틀의 상면에 배치하거나 또는 하면과 측면을 포함하는 틀의 하면에 배치하고, 측면을 따라서 굽힘 부형하여 대략 틀 형상으로 한 프리폼을 얻는 부형 공정과,

부형 공정에서 사용한 틀과는 다른 틀에 프리폼을 배치하고, 고화하는 고화 공정을 포함하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법이다.

또한, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 다음의 구성을 갖는다. 즉,

수지와 강화 섬유를 포함하고, 평면부와 곡면부를 갖는 섬유 강화 플라스틱으로서,

섬유 강화 플라스틱은 적어도 일부가 분단된 강화 섬유가 일방향으로 배향하고, 또한 강화 섬유의 배향 방향에 인접하는 섬유속 사이에 수지부(P)가 존재하고,

수지부(P)의 단부끼리를 잇는 선분이 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 배치된 수지부(P)를 갖는 층을 층 A로 할 때, 섬유 강화 플라스틱은 곡면부의 내주보다 외주에 가까운 측에 층 A를 포함하는 섬유 강화 플라스틱이다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은, 상기 노치 프리프레그는 노치 프리프레그의 상기 영역 내에서 임의로 선택되는, 10개의 직경 10㎜의 원형 소영역 내에 포함되는 노치의 개수를 모집단으로 한 경우에, 모집단의 평균값이 10 이상이고 변동계수가 20% 이내인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ의 절대값이 실질적으로 동일하고, θ가 정인 정노치와 θ가 부인 부노치를 대략 동수 포함하고, 임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서, 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 다른 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 프리폼에 면외 변형이 적어도 하나 포함되고, 상기 면외 변형의 높이가 프리프레그 적층체의 평균 두께의 0.5배 이상 3배 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은, 부형 공정에 있어서 대략 틀 형상으로 한 프리폼의 적어도 일부에 대하여, 전단력을 가하면서 상기 틀에 압박하여 평탄화하는 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 층 A의 면내의 임의의 수지부(P)에 있어서, 상기 수지부(P)의 윤곽과 접하고, 거리가 최단으로 되는 2개의 평행선을 그렸을 때에 평행선의 거리의 평균값이 0.2㎜ 이하인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 층 A 중의 수지부(P)의 체적의 합계가, 상기 층 A의 체적의 5% 이하인 것이 바람직하다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 핫 포밍에 의해 프리폼을 주름없이 부형하여 우수한 표면 품위와 역학 특성을 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있다.

도 1은 프리폼 제작 방법의 개념도이다.
도 2는 측면에 요철이 있는 틀의 개념도이다.
도 3은 틀의 길이 방향의 단면 형상의 예이다.
도 4는 노치 프리프레그의 개념도이다.
도 5는 노치 프리프레그에 있어서의 노치 패턴의 예이다.
도 6은 부형 공정에 있어서의 면외 변형의 개념도이다.
도 7은 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 개념도이다.
도 8은 수지부(P)의 개념도이다.
도 9는 실시예에 사용된 틀이다.
도 10은 굽힘 부형 방법의 개념도이다.

본 발명자들은 항공기 등의 구조 부재에 적용 가능한 역학 특성이 우수한 섬유 강화 플라스틱을, 일방향으로 배향한 강화 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그를 복수매 적층하여 프리프레그 적층체를 얻는 적층 공정과, 프리프레그 적층체를 상면과 측면을 포함하는 틀의 상면에 배치하거나 또는 하면과 측면을 포함하는 틀의 하면에 배치하고, 측면을 따라서 굽힘 부형하여 대략 틀 형상으로 한 프리폼을 얻는 부형 공정과, 부형 공정에서 사용한 틀과는 다른 틀에 프리폼을 배치하여 고화하는 고화 공정을 포함하는 핫 포밍에 의해 제조하기 위해 예의 검토하고, 프리프레그 적층체를 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군으로 구성함으로써, 이러한 과제를 해결하는 것을 구명한 것이다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 적층 공정, 부형 공정, 고화 공정을 포함한다. 그리고, 적층 공정이란 일방향으로 배향한 강화 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그(이하, 일방향 프리프레그라고 하는 경우가 있다)의 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 프리프레그를 노치 프리프레그로 했을 때에, 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군을 복수매 적층하여 프리프레그 적층체를 얻는 공정을 말한다. 후술하는 바와 같이, 프리프레그 적층체를 구성하는 프리프레그군은 노치 프리프레그를 포함하기만 하면 특별히 한정되지 않고, 노치 프리프레그만으로 구성된 형태여도, 일부에 노치 프리프레그를 포함하는 형태여도 특별히 한정되지 않는다. 프리프레그 적층체는 성형 대상으로 하는 섬유 강화 플라스틱의 목표 두께에 대응하여 부분적으로 적층 매수가 다른 것이어도 좋다. 또한, 노치 프리프레그에 있어서 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치를 갖는 영역을, 이하 노치 영역이라고 한다. 미리 프리프레그 전면에 노치를 삽입하고, 전면을 노치 영역으로 한 노치 프리프레그의 쪽이 생산하기 쉽고, 범용성이 높기 때문에 바람직하다. 노치 영역 내에서는 모든 강화 섬유가 노치에 의해 분단되어 있어도 좋고, 노치에 의해 분단되지 않는 강화 섬유를 포함하고 있어도 좋다. 요철 형상이 많은 복잡한 형상으로 부형하는 경우에는 노치 영역 내에서 모든 강화 섬유가 노치에 의해 분단되어 있는 것이 바람직하다.

도 1은 프리프레그 적층체(1)를 틀의 상면(2)에 압박해서 배치하고, 측면(3)을 따라서 굽힘 부형함으로써 대략 틀 형상의 프리폼(4)으로 부형하는 핫 포밍의 부형 공정의 개념도를 나타내고 있다. 도 1의 틀을 상하 반전시킨 틀을 사용하는 경우, 상면(2)이 하면으로 되어 부형 공정에서는 하면의 아래에 기재를 배치하고, 측면으로 굽힘 부형해도 좋다. 틀은 상면과 측면을 포함하기만 하면 다른 면을 포함하고 있어도 좋다. 대략 틀 형상의 프리폼이란 프리프레그 적층체가 굽힘 부형에 의해 상면 또는 하면과 측면을 포함하는 형상으로 부형된 프리프레그 적층체이며, 틀로부터 분리하기 전에는 틀과 접하고 있어도 좋고, 틀로부터 뜬 부분이 존재하고 있어도 좋다. 틀로부터 분리하기 전에 틀로부터 떠 있는 부분이 존재하는 경우에는, 대략 틀 형상의 프리폼이란 프리프레그 적층체의 틀 측의 면의 80% 이상이 틀의 표면과의 거리가 프리프레그 적층체의 평균 두께의 3배 이하에 있는 상태를 가리킨다.

부형 공정에 사용되는 틀은 상면과 측면을 갖기만 하면 특별히 한정되지 않는다. 즉, 프리프레그 적층체를 압박하는 틀은, 도 1과 같이 상면에 요철이 있어도 좋고, 도 2와 같이 측면에 요철이 있어도 좋다. 상면과 측면 어느 쪽에나 요철이 있어도 좋고, 틀의 길이 방향(5)이 곡선이어도 좋다. 프리폼 곡면부를 포함하는 절단면이, 예를 들면 도 3(a)과 같은 C형, 도 3(b)과 같은 L형, 도 3(c)과 같은 Z형 중 어느 하나의 단면이 틀의 길이 방향(5)으로 연속되는 틀을 이용하여 부형해도 좋다. 도 3(a)의 C형의 틀에 대해서는 측면이 상면에 대하여 직각인 면이 아니어도 좋다. 도 3(b)의 L형 형상으로의 부형에 대해서는 상면을 한쪽의 면, 측면을 다른 한쪽의 면으로 해도 좋고, 상면을 2개의 면이 교차하는 능선부로 하고, 2개의 면을 측면으로 해도 좋다. 도 3(c)의 Z형 형상과 같이 상면, 측면과는 다른 면을 포함하고 있으며, C형이나 L형과 같이 상면에 대하여 양측에 측면이 있는 것이 아니라 상면에 대하여 편측에만 측면이 존재하고 있어도 좋다.

부형 공정에서는 가열된 프리프레그 적층체를 측면을 따라서 굽힘 부형을 행함으로써 대략 틀 형상의 프리폼으로 한다. 부형 공정에서는 열원을 갖는 챔버 내나 히터 근방에서 굽힘 부형을 행함으로써 프리프레그 적층체를 가열하는 것이 바람직하다. 통상, 프리프레그 적층체의 굽힘 부형을 행할 때에 내주와 외주의 둘레 길이차가 생기기 때문에, 프리프레그층 사이를 미끄러지면서 틀의 요철에 맞춰서 면내 변형할 필요가 있다. 노치를 갖지 않는 일방향 프리프레그는 강화 섬유의 배향 방향(이하, 단지 섬유 방향이라고 하는 경우가 있다)으로는 변형되지 않기 때문에 층간 미끄러짐과 아울러 면내 변형했다고 해도 형상 추종할 수 없는 경우가 있지만, 노치 프리프레그는 섬유 방향으로도 신장하면서 면내 변형이 가능하기 때문에 일방향 프리프레그와 비교해서 형상 추종성이 향상되어 있다. 따라서, 프리프레그 적층체로서 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군을 이용함으로써 섬유 방향으로도 신장을 허용하여 굽힘 부형시의 요철 형상에 대한 형상 추종성이 향상된다. 프리프레그 적층체를 구성하는 프리프레그군은 노치 프리프레그를 포함하기만 하면 특별히 한정되지 않고, 프리프레그 적층체를 구성하는 프리프레그군 중, 모두가 노치 프리프레그여도 좋고, 섬유 방향으로의 신장이 필요한 프리프레그에만 노치가 삽입되어 있어도 좋다.

부형 공정에 있어서, 굽힘 부형하는 방법은 밀폐 공간에서 감압 흡인을 행함으로써 틀에 압박해도 좋고, 프리프레그 적층체를 틀에 압박하기 위한 프레서를 사용하여 부형해도 좋다. 또는, 수작업으로 부형해도 좋다.

대략 틀 형상의 프리폼을 제작한 후의 고화 공정에서는 섬유 강화 플라스틱 표면의 수지 치핑 등의 결함을 억제하여 외관 품위를 향상시키기 위해, 부형 공정에서 사용한 틀과는 다른 틀에 프리폼을 배치하여 고화하는 것이 바람직하다. 또한, 대략 틀 형상의 프리폼에 면외 변형이 포함되어 있었다고 해도, 고화시에는 면외 변형이 면내에 흡수되어 면외 변형이 없는 섬유 강화 플라스틱을 얻을 수 있다. 고화 공정에 사용되는 틀은 프리폼의 외주 형상을 상정한 형상이어도 좋고, 수지의 열수축이나 유동을 고려하여 외주 형상을 수정한 형상이어도 좋다. 또한, 프리폼에 사용한 틀에 프리폼을 배치한 채 암형을 씌우는 형태도 포함된다. 고화 방법은 수지가 열경화 수지인 경우에는 보이드 등의 결함을 억제하기 위해 오토클레이브를 이용하여 경화하는 것이 바람직하지만 진공압을 병용해서 가열 온도를 컨트롤하면서 고화시키는 방법이어도 좋다.

본 발명에 사용되는 노치 프리프레그에 있어서, 노치는 고밀도이고 또한 균일하게 분포하고 있는 것이 바람직하다. 즉, 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 프리프레그를 노치 프리프레그로 했을 때에, 노치 프리프레그의 상기 노치 영역 내에서 임의로 선택되는, 10개의 직경 10㎜의 원형 소영역 내에 포함되는 노치의 개수를 모집단으로 한 경우에, 모집단의 평균값이 10 이상이고 또한 변동계수가 20% 이내인 것이 바람직하다(이하, 모집단의 평균값이 10 이상인 상태를 고밀도, 변동계수가 20% 이내인 상태를 균질이라고 표현한다). 상기 저밀도의 노치 분포와 같은 개수의 강화 섬유를 노치에 의해 분단하는 경우라도, 고밀도로 노치가 분포하고 있는 경우에는 하나 하나의 노치를 작게 할 수 있고, 그렇게 함으로써 노치 프리프레그가 신장할 때에 하나 하나의 노치의 개구를 최소한으로 억제하여 경화했을 때의 섬유 강화 플라스틱의 역학 특성이 저하되지 않고, 또한 표면 품위가 향상된다. 또한, 균일하게 노치가 분포함으로써 노치 프리프레그의 국소적인 신장의 치우침을 억제하여 역학 특성 및 표면 품위를 향상시키는 효과가 있다. 노치에 의해 분단되는 강화 섬유 길이는 역학 특성의 관점에서는 10㎜ 이상이 바람직하다. 노치에 의해 분단되는 강화 섬유 길이는 보다 바람직하게는 15㎜ 이상, 더욱 바람직하게는 20㎜ 이상이다. 노치를 가늘게 고밀도로 삽입함으로써, 강화 섬유의 길이가 15㎜ 이상인 긴 노치 프리프레그로 할 수 있어 3차원 형상의 추종성과 양호한 표면 품위를 유지하면서 하나 하나의 노치가 작은 것에 의한 역학 특성 저하의 억제, 및 강화 섬유가 긴 것에 의한 역학 특성의 향상이라고 하는 상승 효과가 기대될 수 있다.

도 4(a)는 프리프레그에 복수의 노치(7)가 삽입된 노치 영역(8)을 포함하는 노치 프리프레그(6)의 개념도를 나타내고 있으며, 도 4(b)는 노치 영역(8) 내에 직경 10㎜의 원형의 소영역(9)을 10개소 추출한 상태를 나타내고 있다. 소영역은 노치 영역 내에서 소영역이 겹치지 않을 정도로 조밀하게 추출하는 것이 바람직하지만, 노치 영역이 소영역을 10개 모두 겹치지 않고 추출하기 위해서 충분한 사이즈가 아닌 경우에는, 소영역끼리가 겹치도록 추출해도 좋다. 단, 상술의 모집단의 평균값과 변동계수를 보다 정밀도 좋게 측정하기 위해서 노치 영역의 경계를 넘어서 소영역이 설정되면 안된다. 노치 영역의 경계는 모든 노치가 포함되도록 노치의 단부끼리를 잇는 선분을 연결한 선분군이며, 또한 상기 선분군의 길이의 합계가 최소로 되는 선분군으로 한다.

소영역 내에 포함되는 노치의 개수란 소영역 내에 존재하는 노치와 소영역의 윤곽에 일부가 접촉하는 노치의 합계수로 한다. 또한, 상술의 모집단의 평균값과 상술의 모집단의 변동계수는 10개의 소영역 내의 노치수를 n_i(i=1~10)로 하면 각각 식 1, 식 2에 의해 계산된다.

[수식 1]

[수식 2]

고밀도로 노치를 삽입하는 방법으로서, 강화 섬유의 배향 방향에 직각인 평면에 투영한 길이를 투영 길이 Ws라고 하면, Ws를 1㎜보다 작게 하는 방법이 예시된다. 부형 공정 또는 고화 공정에서, 신장에 따라 노치 개구부에 섬유를 유입시켜 노치 개구부를 보이기 어렵게 할 수 있다. Ws가 작을수록 이 효과를 현저하게 이끌어 낼 수 있기 때문에 바람직하다.

노치의 패턴으로서는 단지 Ws를 작게 할 뿐만 아니라, 도 5(a)와 같이 임의의 근접하는 노치 S1에 최근접하는 노치 S2가 동일 강화 섬유를 분단하지 않는 것이 바람직하다. 최근접하는 노치끼리로 분단된 강화 섬유는 비교적 짧은 강화 섬유로 되어 버리기 때문에, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때에 역학 특성을 저하시키는 요인이 된다. 또한, 노치 S1과 최근접하는 노치 S2 사이에 노치 S1과 노치 S2 중 어느 쪽에 의해서도 분단되어 있지 않은 강화 섬유가 존재함으로써, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때에 노치 S1과 노치 S2가 손상에 의해 연결되기 어려워져서 역학 특성이 향상된다.

노치 S1과 노치 S2 사이의 강화 섬유가 노치 S1 및 노치 S2에 최근접하고 있지 않는 노치에 의해 분단되어 있어도 좋고, 노치 S1과 노치 S2 사이의 강화 섬유가 노치에 의해 분단되어 있지 않아도 좋다. 최근접하는 노치에 끼워지는 띠부의 폭(10)은 강화 섬유의 직각 방향으로 노치를 강화 섬유에 직각인 평면에 투영한 투영 길이 Ws의 0.5배 이상인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 Ws의 1배 이상이다.

고밀도로 노치를 분포시킨 노치 프리프레그에서는 노치끼리의 거리가 가까워져서 최근접하는 노치끼리가 동일한 강화 섬유를 분단해 버렸을 때에는 매우 짧은 강화 섬유가 혼입되어 버릴 가능성이 있기 때문에, 최근접하는 노치끼리가 동일한 강화 섬유를 분단하지 않도록 간격을 형성함으로써, 고밀도의 노치 패턴이라도 짧은 강화 섬유의 혼입을 억제하여 안정된 역학 특성을 발현시킬 수 있다.

더욱 바람직한 노치 패턴으로서는 노치는 실질적으로 동일한 길이 Y(이하, Y를 노치 길이라고도 한다)이며, 최근접하는 노치끼리의 거리는 Y의 0.5배보다 긴 노치 프리프레그가 예시된다. 여기서, 실질적으로 동일한 길이란 모든 노치 길이가 전체 노치 길이의 평균값±5% 이내인 것을 말한다(이하, 같음). 또한, 본 발명에 있어서 노치는 직선 형상이어도 좋고 곡선 형상이어도 좋고, 어느 경우에나 노치의 단부끼리를 잇는 선분을 노치 길이 Y로 한다.

최근접하는 노치끼리의 거리란, 최근접하는 노치끼리의 최단 거리를 의미한다. 최근접하는 노치끼리의 거리가 가까운 경우, 섬유 강화 플라스틱에 손상이 들어간 경우에, 손상이 노치끼리를 연결하기 쉬워지기 때문에 최근접하는 노치끼리의 거리가 노치 길이 Y의 0.5배보다 큰 것이 바람직하다. 최근접하는 노치끼리의 거리는 보다 바람직하게는 Y의 0.8배 이상, 더욱 바람직하게는 Y의 1.2배 이상이다. 한편, 최근접하는 노치끼리의 거리에 상한은 특별히 없지만, 프리프레그에 고밀도의 노치를 부여함에 있어서 최근접하는 노치끼리의 거리가 노치 길이 Y의 10배 이상으로 하는 것은 용이하지 않다.

고밀도로 노치가 분포하는 노치 프리프레그에 있어서는 3차원 형상 추종성은 향상되고, 하나 하나의 노치가 작은 것에 의한 역학 특성의 향상이 예상되지만, 노치끼리의 거리가 가까운 경우보다 노치끼리가 떨어져 있는 쪽이 역학 특성은 더욱 향상된다. 따라서, 조밀하게 노치를 삽입한 경우에는 노치끼리의 거리를 비운 노치 패턴, 즉 최근접하는 노치끼리의 거리를 노치 길이 Y의 0.5배보다 크게 하는 것이 역학 특성 향상을 위해 특히 중요해진다. 또한, 도 5(a)와 같이 노치 영역 내에서 모든 강화 섬유를 분단하여 부형성을 향상시킨 노치 프리프레그의 경우, 최근접하는 노치끼리의 거리(11)를 노치 길이 Y의 0.5배보다 크게 비우고, 또한 최근접하는 노치끼리가 동일한 강화 섬유를 분단하지 않음으로써 3차원 형상에 대한 추종성 및 표면 품위를 손상시키지 않고, 최대한으로 역학 특성을 발현할 수 있다.

더욱 바람직한 노치 패턴으로서는, 노치가 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 삽입되어 있는 노치 프리프레그가 예시된다. 노치가 곡선 형상인 경우에는 노치의 단부끼리를 잇는 선분이 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 있는 것을 가리킨다. 노치를 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 함으로써, 노치 프리프레그의 3차원 형상 추종성이나 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때의 역학 특성을 향상시킬 수 있다. 강화 섬유의 배향 방향과 노치가 이루는 각도를 θ라고 하면, θ가 2~60°인 것이 바람직하다. 특히, θ의 절대값이 25° 이하임으로써 역학 특성, 그 중에서도 인장 강도의 향상이 현저하고, 이러한 관점에서 θ의 절대값이 25° 이하가 보다 바람직하다. 부형 공정에서는 노치 프리프레그가 신장함에 따라 θ가 작아지는 경우가 있다. θ가 작아질수록 노치 프리프레그 신장시의 노치 개구가 작기 때문에 표면 품위가 양호해지고, 또한, 프리폼을 고화한 섬유 강화 플라스틱의 역학 특성이 높아진다. θ의 절대값이 2° 이상인 것이 보다 바람직하다. 이 바람직한 범위이면, 칼날로 노치를 넣을 때에 강화 섬유가 칼날로부터 벗어나기 쉬워지는 일은 없어 노치의 위치 정밀도를 담보하면서 삽입하는 것이 가능하다. 또한, 노치는 직선 형상이어도 좋고 곡선 형상이어도 좋고, 곡선 형상인 경우에는 노치의 단부끼리를 잇는 선분과 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각을 θ로 한다.

고밀도로 노치가 분포하는 경우에 한정하지 않고, θ의 절대값이 작아질수록 역학 특성의 향상이 예상되는 한편, 특히 노치 영역 내에서 모든 강화 섬유를 분단하는 경우에 노치끼리 가까워져서 노치에 의해 발생된 손상이 연결되기 쉬워져서 역학 특성이 저하될 우려도 있다. 그러나, 임의의 노치와 상기 노치에 최근접하는 다른 노치는 동일한 강화 섬유를 분단하고 있지 않은 것, 또한 노치는 실질적으로 동일한 길이 Y이며, 최근접하는 노치끼리의 거리가 Y의 0.5배보다 길게 제어되면 노치가 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 직각인 경우와 비교해서 더한 역학 특성의 향상이 예상되므로 바람직하다. 특히, 노치가 고밀도인 경우에는 역학 특성의 향상과 함께 노치 개구의 억제에 의한 표면 품위의 향상이 예상되므로 바람직하다.

본 발명에 있어서의 노치 프리프레그의 바람직한 형태로서 노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ의 절대값이 실질적으로 동일하고, 또한 θ가 정인 정노치와 θ가 부인 부노치를 대략 동수 포함하는 노치 프리프레그가 예시된다. θ의 절대값이 실질적으로 동일하다는 것은 모든 노치에 있어서 각도 θ가 전체 노치에 있어서의 각도 θ의 평균값±1° 이내의 어긋남인 것을 말한다. 정노치와 부노치를 대략 동수 포함하는 것이란 θ가 정으로 되는 노치의 수와 θ가 부로 되는 노치의 수가 대략 동수인 것을 의미한다. 그리고, θ가 정으로 되는 노치의 수와 θ가 부로 되는 노치의 수가 대략 동수란, 수를 기준으로 한 백분율로 나타냈을 때에 정의 각으로 되는 θ의 수와 부의 수로 되는 θ의 수가 모두 45% 이상 55% 이하인 것을 말한다(이하, 같음). 노치 프리프레그 내에 정노치뿐만 아니라 부노치도 삽입함으로써, 노치 프리프레그가 신장시에 정노치 근방에서 면내 전단 변형이 발생했을 경우에 부노치 근방에서는 역방향의 전단 변형이 발생됨으로써 매크로로서 면내의 전단 변형을 억제하여 신장시킬 수 있다.

도 5(b)와 같이 정노치(12)와 부노치(13)를 서로 교대로 배치함으로써 높은 밀도로 노치를 삽입하면서도 근접하는 노치 사이의 거리를 확보하기 쉬워진다. 노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ의 절대값이 실질적으로 동일하고, 정노치와 부노치가 대략 동수로 되는 노치 패턴이면, 통상의 연속 섬유 프리프레그와 마찬가지의 취급으로 적층이 가능해져서 정노치 또는 부노치만을 포함하는 노치 프리프레그의 경우와는 달리 적층 순서를 제어하는 시간이 증가되는 것을 방지할 수 있다.

더욱 바람직하게는, 정노치와 부노치를 대략 동수 포함하고, 임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 다른 노치 프리프레그이다. 도 5(b)에서 정노치(12)는 직선(14) 상에, 부노치(13)는 직선(15) 상에 배치되어 있으며, 직선(14) 상에서의 정노치의 간격은 직선(15) 상에서의 부노치의 간격보다 작게 되어 있다. 이러한 노치의 배치로 함으로써 균질·고밀도이고 또한 근접하는 노치 사이의 거리를 확보할 수 있어 최근접하는 노치가 동일한 강화 섬유를 분단하지 않는 노치 패턴을 작성하는 것이 가능하다. 또한, 임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 동일한 경우보다 강화 섬유의 길이를 길게 하는 것이 가능하여, 고밀도로 노치가 분포되어 있어도 역학 특성을 유지하는 것이 가능하다. 또한, 노치의 연장선 상에 노치가 존재한다는 것은 노치를 연장한 직선과 대상이 되는 노치끼리의 가장 근접하는 점끼리를 잇는 직선의 각도가 1° 이내인 것을 가리킨다.

임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 다른 노치 패턴으로 함으로써, 고밀도라도 강화 섬유의 길이를 보다 길게 할 수 있고, 또한 노치 영역 내에서 모든 강화 섬유를 분단하는 경우에도 임의의 노치와 상기 노치에 최근접하는 다른 노치는 동일한 강화 섬유를 분단하지 않고 최근접하는 노치끼리의 거리가 노치 길이 Y의 0.5배보다 긴 노치 패턴이 얻어지기 쉬워진다. 이것에 의해, 보다 효과적으로 표면 품위와 3차원 형상 추종성을 손상시키지 않고, 역학 특성을 향상시킬 수 있다. 이 점에서, 정노치와 부노치가 대략 동수 삽입되어 있고, 임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 달라서 임의의 노치와 상기 노치에 최근접하는 다른 노치는 동일한 강화 섬유를 분단하지 않고 최근접하는 노치끼리의 거리가 노치 길이 Y의 0.5배보다 길고, 노치 영역에서 실질적으로 모든 강화 섬유가 섬유 길이 15㎜ 이상으로 분단되어 있는 노치 패턴이 3차원 형상 추종성, 표면 품위, 역학 특성의 관점에서 특히 바람직하다.

본 발명에 있어서, 프리프레그 및 노치 프리프레그에 포함되는 수지는 열가소성 수지여도 좋고 열경화성 수지여도 좋고, 열가소성 수지로서는 예를 들면, 폴리아미드(PA), 폴리아세탈, 폴리아크릴레이트, 폴리술폰, ABS, 폴리에스테르, 아크릴, 폴리부틸렌테레프탈레이트(PBT), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌테레프탈레이트(PET), 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리페닐렌술피드(PPS), 폴리에테르에테르케톤(PEEK), 폴리에테르이미드(PEI), 폴리에테르케톤케톤(PEKK), 액정 폴리머, 염화비닐, 폴리테트라플루오로에틸렌 등의 불소계 수지, 실리콘 등이 예시된다. 열경화성 수지로서는 수지가 열에 의해 가교반응을 일으켜 적어도 부분적인 3차원 가교 구조를 형성하는 것이면 된다. 이들 열경화성 수지로서는 불포화 폴리에스테르 수지, 비닐에스테르 수지, 에폭시 수지, 벤조옥사진 수지, 페놀 수지, 요소 수지, 멜라민 수지 및 폴리이미드 수지 등이 예시된다. 이들 수지의 변형 및 2종 이상의 블렌드의 수지를 사용할 수도 있다. 또한, 이들 열경화성 수지는 열에 의해 자기 경화하는 수지여도 좋고, 경화제나 경화 촉진제 등을 포함하는 것이어도 좋다.

본 발명에 있어서, 프리프레그 및 노치 프리프레그에 포함되는 강화 섬유는 유리 섬유, 케블라 섬유, 탄소 섬유, 그라파이트 섬유 또는 붕소 섬유 등이어도 좋다. 이 중, 비강도 및 비탄성률의 관점에서는 탄소 섬유가 바람직하다.

프리프레그 적층체 중의 강화 섬유의 체적 함유율 Vf는 70% 이하로 함으로써 노치부의 강화 섬유의 어긋남이 일어나 브리징을 효과적으로 억제하여 형상 추종성과 보이드 등의 성형 문제의 억제 효과를 얻을 수 있다. 이러한 관점에서, Vf가 70% 이하인 것이 보다 바람직하다. 또한, Vf는 낮을수록 브리징은 억제될 수 있지만, Vf가 40%보다 작아지면 구조재에 필요한 고역학 특성이 얻어지기 어려워진다. 이러한 관점에서 Vf가 40% 이상인 것이 보다 바람직하다. 보다 바람직한 Vf의 범위는 45~65%, 더욱 바람직하게는 50~60%이다.

프리프레그 및 노치 프리프레그는 강화 섬유에 부분적으로 수지를 함침시킨(즉, 일부를 미함침으로 한) 프리프레그를 이용하여 제조해도 된다. 강화 섬유에 부분적으로 수지를 함침시킨 노치 프리프레그를 이용함으로써 프리프레그 내부의 강화 섬유의 미함침부가 면내의 유로가 되어, 적층시에 노치 프리프레그의 층 사이에 가두어진 공기나 노치 프리프레그로부터의 휘발 성분 등의 기체가 노치 프리프레그 밖으로 배출되기 쉬워진다(이러한 기체의 유로를 탈기 패스라고 부른다). 함침률은 10~90%가 바람직하다. 이 바람직한 범위이면, 강화 섬유와 수지 사이에서 박리가 생기기 어렵고, 노치 프리프레그 적층시에 미함침부에서 노치 프리프레그가 2개로 나눠져 버리는 일도 없는 등 작업성이 우수하고, 성형 중의 함침 시간을 길게 갖지 않아도 보이드가 잔존하기 어렵다. 이러한 관점에서, 함침률의 범위의 보다 바람직한 상한은 70%이고, 더욱 바람직한 상한은 50%이고, 함침률의 범위보다 바람직한 하한은 20%이다.

본 발명에 있어서, 프리프레그 및 노치 프리프레그는 그 표면에 수지층이 존재해도 좋다. 노치 프리프레그의 표면에 수지층이 존재함으로써, 노치 프리프레그를 적층했을 때에 노치 프리프레그끼리의 사이에 층간 수지층이 형성된다. 이것에 의해, 면외 충격 하중이 가해졌을 때, 크랙이 유연한 층간 수지층으로 유도되고, 또한 열가소성 수지의 존재에 의해 인성이 높기 때문에 박리가 억제됨으로써, 면외 충격 후의 잔존 압축 강도를 높게 할 수 있어 항공기 등의 높은 안전성이 요구되는 주요 구조용 재료로서 적합한다.

본 발명의 바람직한 형태로서 프리폼에 면외 변형이 적어도 하나 포함되고, 상기 면외 변형의 높이가 프리프레그 적층체의 평균 두께의 0.5배 이상 3배 이하인 것이 예시된다.

프리프레그 적층체의 평균 두께는 부형 전의 평판 형상의 프리프레그 적층체를 선단이 평탄하게 되어 있는 래칫식 마이크로미터를 이용하여 측정압 5N에서 측정한 두께로 하고, 프리프레그 적층체의 단부를 3개소 측정한 두께의 평균값으로 한다. 프리폼의 면외 변형이란, 도 6과 같이 굽힘 부형 후의 프리폼의 끝면(16)을 봤을 때에 끝면의 볼록부와 평탄부와 같이 고저차가 있는 개소의 높이의 차(17)의 최대값을 의미한다. 볼록부와 평탄부뿐만 아니라 오목부가 존재하면 오목부와 평면부, 오목부와 볼록부 중 어느 하나의 높이의 차(주름이라고도 한다)로 한다. 즉, 부형 공정에 있어서의 프리프레그 적층체의 면외 변형이란 부형 중의 프리프레그 적층체의 단부에 있어서의 높이의 차의 최대값을 의미한다.

노치가 없는 일방향 프리프레그의 경우, 면외 변형을 면내로 흡수할 수 없기때문에 프리폼에 면외 변형이 존재하면, 고화했을 때에 외관 품위가 나쁜 섬유 강화 플라스틱으로 된다. 본 발명에서는 면외 변형을 프리프레그 적층체의 평균 두께의 0.5배 이하로 하는 것이 곤란한 경우라도, 고화 공정에서 면외 변형을 면내에 흡수할 수 있기 때문에 프리폼에 면외 변형이 존재하고 있어도 외관 품위가 양호한 섬유 강화 플라스틱을 얻을 수 있다. 특히, 도 6에 나타낸 플랜지(26)와 같이 고화시에 높은 압력을 주게 되는 개소에 유효한 방법이다. 단, 면외 변형이 너무 큰 경우에는 면내로 흡수되지 않기 때문에 면외 변형의 높이는 프리프레그의 평균 두께의 3배 이하가 바람직하다. 프리폼에 면외 변형의 잔존을 허용함으로써, 프리폼의 면외 변형을 없애는 노력을 삭감할 수 있어 섬유 강화 플라스틱의 생산성이 향상된다.

또한, 부형 공정에 있어서 항상 프리프레그 적층체의 면외 변형이 프리프레그 적층체의 평균 두께의 3배 이하로 되도록 굽힘 부형하는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 1배 이하이다. 프리프레그 적층체의 면외 변형을 컨트롤하는 구체적인 방법으로서는 틀에 프리프레그 적층체를 면외 방향으로 압축하는 프레서가 복수 개소 존재하는 장치를 이용하여 면외 변형을 센서 등에 의해 검지하면서 프레서를 제어하여 부형해도 좋고, 육안으로 두께 변화를 확인하면서 손으로 면외 변형이 큰 개소를 누르면서 굽힘 부형해도 좋다. 예비의 굽힘 부형 테스트 또는 시뮬레이션을 행해 부형 공정 중에 면외 변형이 프리프레그 적층체의 평균 두께의 3배 이하를 유지하도록 프리프레그 적층체를 누르는 개소나 타이밍을 결정해도 좋다.

본 발명의 더욱 바람직한 형태로서, 부형 공정에 있어서 대략 틀 형상으로 한 프리폼의 적어도 일부에 대하여 전단력을 가하면서 상기 틀에 압박하여 평탄화하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기와 같이 프리폼에 면외 변형이 존재하고 있어도 외관 품위가 양호한 섬유 강화 플라스틱을 얻을 수 있지만, 고화 공정에서 암형에 프리폼을 셋팅할 때에 압력을 주기 어려운 측면에 면외 변형이 존재하는 경우에는 미리 프리폼의 면외 변형을 평탄화해도 좋다. 노치가 들어가 있지 않은 프리프레그군만으로 구성된 프리프레그 적층체의 경우, 프리프레그 적층체가 섬유 방향으로 신장하지 않기 때문에 프리폼의 면외 변형을 해소할 수 없어 요철이 잔존해 버리지만, 노치 프리프레그에서는 틀에 프리폼을 눌러서, 면외 방향으로 전단력을 가함으로써 면외 변형을 면내에 흡수시켜 평탄화할 수 있다.

도 6은 면외 변형을 포함하는 프리폼(4)에 전단력(18)을 가하면서 틀에 누르는 개념도를 나타내고 있다. 전단 변형은 면외 변형을 늘리는 방향인 것이 바람직하다. 구체적으로, 전단력을 가하는 방법으로서는 롤러 등에 의해 틀을 눌러도 좋고, 수작업으로 문지르면서 면외 변형을 평탄화해도 좋다. 이 평탄화를 행하는 공정에서는 프리프레그 적층체가 연화하는 온도 영역에서 행하는 것이 프리프레그 적층체의 면내가 변형되기 쉬워 바람직하다. 부형 공정에서 프리프레그 적층체의 면외 변형을 프리프레그 적층체의 평균 두께의 3배 이하로 함으로써, 더욱 전단력에 의해 면외 변형을 평탄화하기 쉬워 바람직하다. 또한, 대략 틀 형상으로 한 프리폼에 대하여 전단력을 가하면서 틀에 압박하여 평탄화할 때에는 프리폼의 전체에 대하여 전단력을 가하면서 틀에 압박하여 평탄화하는 것도 가능하지만, 큰 요철을 갖는 특정 개소에만 전단력을 가하면서 틀에 압박하여 평탄화하면 충분하다.

상기와 같이, 본 발명에 있어서는 프리폼의 면외 변형을 허용하여 고화하는 경우와, 평탄화하고 나서 고화하는 경우가 있고, 어느 방법을 선택하는지는 고화 공정에 있어서 면외 변형이 발생된 개소에 주어지는 압력이 큰 경우, 예를 들면 3MPa 이상의 압력을 가하는 경우에는 면외 변형을 허용해도 좋지만, 큰 압력을 주지 않는 경우에는 미리 면외 변형을 평탄하게 해두는 것이 바람직하다.

본 발명은 항공기의 스트링거 등에 바람직하게 적용 가능하며, 우수한 역학 특성을 가져 곡면을 포함하는 섬유 강화 플라스틱도 제공한다. 즉, 수지와 강화 섬유를 포함하고, 평면부와 곡면부를 갖는 섬유 강화 플라스틱으로서, 섬유 강화 플라스틱은 적어도 일부가 분단된 강화 섬유가 일 방향으로 배향하고, 또한 강화 섬유의 배향 방향에 인접하는 섬유속 사이에 수지부(P)가 존재하고, 수지부(P)의 단부끼리를 잇는 선분이 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 배치된 수지부(P)를 갖는 층을 층 A라고 할 때에, 섬유 강화 플라스틱은 곡면부의 내주보다 외주에 가까운 측에 층 A를 포함하는 섬유 강화 플라스틱이다. 이러한 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법은 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 상술의 적층 공정, 부형 공정, 고화 공정을 포함하는 본 발명의 제조 방법에 의해 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 곡면부란 섬유 강화 플라스틱의 외경의 곡률 반경이 1~100㎜인 개소를 가리킨다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 층 A는 복수층 존재해도 좋고, 복수의 층 A가 존재하는 경우, 각 층 A에 있어서 강화 섬유의 배향 방향은 같아도 좋고 달라도 좋다. 층 A를 제외한 부분에 있어서 강화 섬유의 배향 상태는 특별히 한정되지 않지만, 일 방향으로 배향한 쪽이 강화 섬유의 체적 함유율을 높일 수 있고, 또한 강화 섬유의 배향 방향의 역학 특성이 현저하게 높아지기 때문에 바람직하다.

또한, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 두께 방향을 횡단하는 단면을 관찰했을 때, 강화 섬유가 랜덤하게 배향하고 있는 경우에는 강화 섬유의 단면이 선 형상에서부터 원 형상까지 다양한 형태를 취할 수 있지만, 강화 섬유가 일방향으로 배향하고 있는 경우에는 강화 섬유의 단면이 동일해진다. 예를 들면, 섬유 방향에 대하여 직각인 단면에서는 원, 섬유 방향에 대하여 비스듬한 단면에서는 타원으로 된다. 본 발명에서는 섬유 강화 플라스틱의 두께 방향을 횡단하는 단면에 있어서, 두께 방향으로 시인할 수 있는 층이 존재하고 있고, 상기 층 내에 있어서 무작위로 선택된 100개의 강화 섬유의 단면의 장지름의 변동계수가 20% 이하인 경우에, 상기 층에 존재하는 강화 섬유는 일방향으로 배향하고 있는 것으로 간주한다. 또한, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱에 있어서 층 A는 강화 섬유의 배향 방향(이후, 섬유 방향이라고 한다)에 인접하는 섬유속 사이에 수지부(P)가 존재한다. 단섬유로 이루어지는 섬유 강화 플라스틱 내에서 섬유 방향에 인접하는 섬유속 사이에 수지부(P)가 존재하는 경우, 수지부는 받아들이는 하중이 낮아 손상의 기점이 되기 쉽다. 따라서, 수지부는 전단 응력에 의해 인접하는 섬유속 사이의 하중을 전달하기 위해, 수지부(P)의 단부끼리를 잇는 선분은 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 배치되어 있는 것이 바람직하다. 또한, 모든 강화 섬유의 길이가 10㎜~50㎜의 범위 내인 것이 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 곡면부에 있어서의 강성을 향상시키기 위해, 본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 수지부(P)를 포함하는 층 A를 그 곡면부의 내주측보다 외주측에 가까운 부위에 포함함으로써 곡면부도 구석구석까지 강화 섬유가 충전된다.

또한, 섬유 강화 플라스틱에 부하가 주어졌을 때 곡면부에는 높은 응력이 발생되기 쉬워 손상되기 쉽기 때문에, 곡면부에 있어서의 층 A의 두께를 평면부에 있어서의 층 A의 두께보다 얇게 함으로써, 수지부(P)도 얇아져서 손상을 억제할 수 있어 바람직하다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱은 미리 강화 섬유가 일방향으로 배열된 프리프레그에 노치를 삽입하여 얻은 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그 적층체로 성형되어도 좋고, 단섬유를 일방향으로 배열하여 수지를 함침시킨 프리프레그를 이용해도 좋다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 더욱 바람직한 양태로서는 층 A의 면내의 임의의 수지부(P)에 있어서, 상기 수지부(P)의 윤곽과 접하고, 거리가 최단으로 되는 2개의 평행선을 그렸을 때에 평행선의 거리의 평균값이 0.2㎜ 이하인 섬유 강화 플라스틱이다.

수지부(P)의 윤곽과 접하고, 거리가 최단으로 되는 2개의 평행선의 거리를 수지부(P)의 폭으로 하면, 수지부(P)의 폭이 작을수록 수지부(P)를 사이에 두고 인접하는 강화 섬유끼리의 하중 전달이 효율적으로 행해져서 바람직하다. 수지부(P)의 폭의 평균값은 0.15㎜ 이하인 것이 보다 바람직하다.

수지부(P)의 폭의 평균값이란 도 7과 같이 층 A의 표면을 연마기 등으로 깎아내고, 그 표면을 디지털 현미경 등의 촬영 장치를 이용하여 촬영함으로써 얻어지는 화상으로부터 수지부(P)를 10개 추출하고, 수지부(P)의 폭의 평균값을 계산함으로써 얻어진다. 수지부(P)의 폭은 도 8에 나타내는 바와 같이 수지부(P)의 윤곽과 접하는 2개의 평행선의 거리(27)이지만, 2개의 평행선을 그리는 방법은 화상을 인쇄한 후에 손으로 써서 그려도 좋고, 디지털 현미경에 구비되어 있는 측정 수단을 이용해도 좋다.

본 발명의 섬유 강화 플라스틱의 더욱 바람직한 형태로서는 층 A 중의 수지부(P)의 체적의 합계가 층 A의 체적의 5% 이하인 섬유 강화 플라스틱이다. 수지부(P)에 관해서 섬유 강화 플라스틱의 전체의 체적의 5% 이하인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 3% 이하이다. 이 바람직한 범위이면, 섬유 강화 플라스틱의 표면 품위를 악화시키는 일은 없고, 구조물 중의 결함으로 되는 일도 없다. 또한, 곡면부에 있어서의 수지부(P)의 체적의 비율은 곡면부에 있어서의 층 A의 체적의 0.1% 이상인 것이 바람직하다. 이 바람직한 범위이면 강화 방향에 인접하는 강화 섬유 사이에 수지가 충전되지 않아 보이드 등이 발생될 가능성이 낮아 역학 특성의 저하를 방지할 수 있다.

층 A에 있어서의 수지부(P)의 체적은 수지부(P)가 두께 방향으로 같은 형상이라고 가정하여 층 A의 표면으로부터 계측되는 수지부(P)의 면적을 이용하여 계산한다. 수지부(P) 하나의 면적은 수지부(P)의 폭과 수지부(P)의 길이의 곱의 1/2로 정의한다. 수지부(P)의 길이는 도 8에 나타내는 바와 같이 수지부(P)의 윤곽과 접하고, 거리가 최대로 되는 2개의 평행선의 거리(28)로 한다. 층 A의 표면 10㎜×10㎜의 영역을 관찰하고, 상기 영역 내에 존재하는 모든 수지부(P)의 면적의 합계(㎟)가 층 A에 있어서의 수지부(P)의 체적률(%)로 된다.

실시예

이하, 실시예에 의해 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 실시예에 기재된 발명에 한정되는 것은 아니다.

<프리프레그 적층체의 제작>

"토레이카"(상표등록) 프리프레그 시트 P3052S-15(강화 섬유 : T700S, 수지 : 2500, 강화 섬유의 체적 함유율 : 56%, 편면 이형지를 적층)에 소정의 위치에 칼날을 배치한 회전날 롤러에 압박해서 프리프레그를 관통하는 노치를 삽입했다. 노치 영역은 프리프레그 전역으로 하고, 모든 강화 섬유를 노치에 의해 절단했다. 어느 실시예에 있어서도 200㎜×200㎜의 노치 프리프레그의 수지를 400℃에서 태워 날렸을 때에 200㎜의 강화 섬유가 잔존하지 않고 모든 강화 섬유가 분단되어 있는 것을 확인했다.

프리프레그 적층체를 구성하는 프리프레그군은 모두 노치 프리프레그로 했다. 적층 공정에서, 150㎜×150㎜의 정사각형의 한 변과 상기 변과 직각인 변을 각각 0°, 90°로 하면, 노치 프리프레그의 강화 섬유의 배향 방향이 +45°/0°/-45°/90°]_2s로 되도록 적층하고, 적층 후 30분간의 진공 배기에 의해 밀착시켜 150㎜×150㎜의 프리프레그 적층체를 얻었다.

<노치 분포 평가>

노치 프리프레그의 표면을 배율 10배의 디지털 마이크로스코프에 의해 복수매 촬영하고, 화면 상에서 화상을 연결하여 노치 프리프레그의 표면 50㎜×50㎜를 화면 상에 표시시키고, 계측 소프트웨어를 이용하여 직경 10㎜의 원을 볼링의 핀의 배치와 같이 인접하는 3개의 원의 중심이 정삼각형을 그리도록 10개 그렸다. 인접하는 원의 중심간 거리는 12㎜로 했다. 각 원에 포함되거나, 또는 접하는 노치의 수를 카운트하여 모집단으로 하고, 모집단의 평균값과 변동계수를 산출했다.

<부형성 평가>

도 9의 상면과 측면을 포함하고, C형의 단면이 길이 방향으로 이어지는 형상의 틀의 상면에 프리프레그 적층체의 0°가 길이 방향으로 되도록 프리프레그 적층체를 배치하고, 측면을 따라서 굽힘 부형하여 대략 틀 형상의 프리폼을 얻었다. 부형 방법은 도 10과 같이 판 위에 틀을 놓고, 그 위에 프리프레그 적층체를 놓고, 버그필름으로 밀봉 후에 진공 배기를 행하여 버그필름이 틀에 빨아당겨짐과 동시에 프리프레그 적층체가 굽힘 부형되는 방법으로 했다. 면외 변형이 생긴 경우에는 수작업으로 전단력을 가하면서 틀에 압박하여 평탄화했다. 이 부형 공정은 60℃로 온도 조절된 오븐 내에서 행했다. 틀은 도 9 중의 h가 2㎜인 틀과 6㎜인 틀을 준비했다. 완성된 프리폼의 3차원 형상 추종성에 대해서, 이하의 3단계로 평가했다.

A : 첫번째의 굽힘 부형에 의해 형상에 추종할 수 있었다.

B : 첫번째의 굽힘 부형 후에는 면외 변형이 발생했지만, 전단력을 부여하면서 틀에 압박함으로써 면외 변형을 평탄화할 수 있었다.

C : 첫번째의 굽힘 부형 후에는 면외 변형이 생겼으므로, 전단력을 가하면서 틀에 압박했지만, 면외 변형을 평탄화할 수 없어 면외 변형이 잔존했다.

<섬유 강화 플라스틱의 표면 품위>

상기 프리폼을 틀로부터 분리하여 굽힘 부형에 사용한 틀과는 다른 암형에 셋팅하고, 틀과 함께 버그필름으로 피복하여 진공 배기를 행하면서 오토클레이브에서 130℃, 1.5시간으로 경화했다. 제조된 섬유 강화 플라스틱의 표면을 육안으로 확인하고, 이하의 3단계로 나누었다. 강화 섬유의 물결침이란, 섬유 강화 플라스틱의 표면에 있어서 강화 섬유의 배향에 흐트러짐이 생겨 표면 품위를 악화시키고 있는 것을 가리킨다.

A : 노치의 개구를 거의 인식할 수 없고, 강화 섬유의 물결침도 발생되어 있지 않음

B : 노치의 개구가 인식되지만, 강화 섬유의 물결침이 발생되어 있지 않음

C : 강화 섬유의 물결침이 발생하고 있음

<강화 섬유의 배향 상태 평가>

얻어진 섬유 강화 플라스틱에 있어서, 도 9에 있어서의 틀의 상면의 경사가 있는 개소의 중앙부를 길이 방향에 수직인 평면으로 절단하여 직사각형의 단면을 얻었다. 또한, 상면에 상당하는 개소를 10㎜×10㎜로 잘라내고, 곡면부에 있어서 외주에 가까운 측으로 되어 있는 8층에 대해서 강화 섬유의 단면 형상을 관찰했다. 각 층에 있어서, 무작위로 선택된 100개의 강화 섬유의 단면의 장지름을 계측하여 장지름의 변동계수가 20% 이하인 경우에 상기 층은 강화 섬유가 일방향인 것으로 간주했다.

<수지부(P)의 폭의 측정>

강화 섬유의 배향 상태 평가에서, 강화 섬유가 일방향인 것으로 간주된 층에 대하여 표층으로부터 순서대로 연마기에 의해 층의 표면을 깎아내었다. 수지부(P)가 확인되었던 층에 대해서 10개씩 수지부(P)의 폭을 측정하여 평균값을 산출했다.

<수지부(P)의 체적 비율 측정>

수지부(P)의 폭의 측정과 동시에 수지부(P)의 길이의 측정을 행했다. 10㎜×10㎜의 정사각형의 표면의 화상 내에 포함되는 모든 수지부(P)의 폭×길이×1/2의 합을 계산하고, 100㎟로 나눔으로써 층 A에 포함되는 수지부(P)의 체적의 비율을 계산했다.

<역학 특성>

곡면부를 갖는 섬유 강화 플라스틱의 강도 비교가 곤란하기 때문에, 평판 형상의 시험편을 준비하고, 인장 시험을 행했다. 350㎜×350㎜로 잘라낸 노치 프리프레그를 적층 구성이 [+45°/0°/-45°/90°]_2s로 되도록 적층하고, 오토클레이브에서 130℃, 1.5시간 경화시켰다.

평판 성형 후, 0° 방향이 길이 방향으로 되도록 25㎜×250㎜의 시험편을 잘라내고, ASTM D3039(2008)에 규정된 방법에 의해 인장 시험을 행했다. 측정한 시험편의 수는 각 수준 5개로 하고, 인장 탄성률 및 인장 강도의 평균값을 대표값으로서 산출했다.

(실시예 1)

노치 패턴이 도 5(a)에 나타내는 패턴이고, 분단된 강화 섬유의 길이는 20㎜, 노치를 강화 섬유의 배향 방향에 직각인 평면에 투영한 투영 길이 Ws=5㎜, 노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ가 45°인 노치 프리프레그로 프리프레그 적층체를 구성했다.

노치 분포 평가에서는 모집단의 평균값은 1.6, 변동계수는 32%였다.

부형성 평가에서는 h=2㎜인 경우에는 문제없이 부형할 수 있었지만, h=6㎜의 경우에는 평탄화할 수 없어 면외 변형이 남았다. 경화 후의 섬유 강화 플라스틱의 표면 품위는 h=2㎜인 경우나 h=6㎜인 경우나 노치의 개구가 보였다. 역학 특성은 노치가 없는 경우와 비교해서 매우 낮았다.

섬유 강화 플라스틱에 있어서의 수지부(P)의 폭은 0.24㎜, 수지부(P)의 체적 은 5.7%였다. 인장 강도는 490MPa였다.

(실시예 2)

노치 패턴이 도 5(a)에 나타내는 패턴이고, 분단된 강화 섬유의 길이는 20㎜, 노치를 강화 섬유의 배향 방향에 직각인 평면에 투영한 투영 길이 Ws=0.2㎜, 노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ가 14°인 노치 프리프레그로 프리프레그 적층체를 구성했다. 노치 분포 평가에서는 모집단의 평균값은 17.5, 변동계수는 8%였다.

부형성 평가에서는 h=2㎜인 경우에는 문제없이 부형할 수 있었지만, h=6㎜인 경우에는 평탄화할 수 없어 면외 변형이 잔존했다. 섬유 강화 플라스틱의 표면 품위는 h=2㎜인 경우에는 노치 개구가 보이지 않았다. h=6㎜인 경우에는 노치 개구가 보였지만, 실시예 1보다는 개구가 보기 어려워져 있다.

섬유 강화 플라스틱에 있어서의 수지부(P)의 폭, 체적은 모두 실시예 1보다 작아졌고, 인장 강도는 실시예 1보다 높아졌다.

(실시예 3)

노치 패턴이 도 5(b)에 나타낸 노치 프리프레그로 프리프레그 적층체를 구성했다. 모든 노치의 길이는, 분단된 강화 섬유의 길이는 20㎜, 노치를 강화 섬유의 배향 방향에 직각인 평면에 투영한 투영 길이 Ws=0.2㎜, 노치와 강화 섬유의 배향 방향과 이루는 각도 θ가 20°이다. 또한, θ가 정인 정노치와 θ가 부인 부노치를 대략 동수 포함하고, 노치의 연장선 상에 존재하는 노치끼리의 간격이 정노치(2.8㎜)와 부노치(17㎜)에서 다르다. 노치 분포 평가에서는 모집단의 평균값은 15.1, 변동계수는 6%이고, 고밀도이고 또한 균질하게 노치가 분포하고 있었다.

부형성 평가에서는 h=2㎜인 경우에는 문제없이 부형할 수 있고, h=6㎜인 경우에는 면외 변형이 있었지만, 평탄화할 수 있었다. 경화 후에는, h=2㎜, 6㎜인 경우 모두 양호한 품질이었다.

섬유 강화 플라스틱에 있어서의 수지부(P)의 폭, 체적은 모두 실시예 2보다 더욱 작아졌다. 인장 강도도 실시예 2보다 더욱 향상되어 있었다.

(실시예 4)

실시예 3과 같은 노치 프리프레그 적층체를 이용하여, 부형 공정에서 굽힘 부형뿐만 아니라 플랜지부도 부형하여, 도 6(b)과 같이 플랜지가 있는 프리폼을 제작했다. 프리폼의 끝에 면외 변형이 잔존하고 있으며, 그 높이는 프리프레그 적층체의 두께의 1.8배였다. 면외로부터 전단력을 줌으로써 면외 변형을 적게 하는 것도 가능한 것으로 생각했지만, 노력이 필요하기 때문에 면외 변형이 존재한 채 플랜지에도 압력을 줄 수 있는 암형에 셋팅하여 실시예 1~실시예 3과 같이 섬유 강화 플라스틱을 제조했다. 그 결과, 플랜지에 존재하고 있던 면외 변형은 없어지고, 평탄한 플랜지를 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제조할 수 있었다.

(비교예 1)

노치가 들어가 있지 않은 프리프레그만으로 프리프레그 적층체를 구성했다. h=2㎜, 6㎜인 경우 모두, 면외 변형이 생겨 평탄화도 할 수 없었다. 경화 후의 표면 품위는 h=2㎜, 6㎜인 경우 모두 섬유의 물결침을 활인할 수 있었다.

(산업상 이용가능성)

본 발명은 핫 포밍에 의해 주름이 없는 프리폼으로 부형할 수 있고, 섬유 강화 플라스틱으로 했을 때에 높은 역학 특성을 발현하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법을 제공할 수 있고, 또한 복잡 형상을 가지면서도 높은 역학 특성을 갖는 섬유 강화 플라스틱을 제공할 수 있으므로, 항공기, 우주선, 자동차, 철도, 선박, 전자제품, 스포츠 등의 구조 용도로 전개할 수 있다.

1 : 프리프레그 적층체 2 : 틀의 상면
3 : 틀의 측면 4 : 프리폼
5 : 틀의 길이 방향 6 : 노치 프리프레그
7 : 노치 8 : 노치 영역
9 : 소영역
10 : 최근접하는 노치 사이에 존재하는 띠부의 폭
11 : 최근접하는 노치 사이 거리
12 : 정노치 13 : 부노치
14 : 정노치를 포함하는 직선 15 : 부노치를 포함하는 직선
16 : 부형 중의 프리프레그 적층체의 끝면
17 : 면외 변형 18 : 전단력
24 : 버그필름 25 : 도 9에 나타낸 틀
26 : 플랜지부 27 : 수지부(P)의 폭
28 : 수지부(P)의 길이

Claims (8)

1. 일 방향으로 배향된 강화 섬유와 수지를 포함하는 프리프레그의 적어도 일부의 영역에 강화 섬유를 분단하는 복수의 노치가 삽입된 프리프레그를 노치 프리프레그라고 하면, 노치 프리프레그를 포함하는 프리프레그군을 복수매 적층하여 프리프레그 적층체를 얻는 적층 공정과,
   프리프레그 적층체를 상면과 측면을 포함하는 틀의 상면에 배치하거나 또는 하면과 측면을 포함하는 틀의 하면에 배치하고, 측면을 따라서 굽힘 부형하여 대략 틀 형상으로 한 프리폼을 얻는 부형 공정과,
   부형 공정에서 사용한 틀과는 다른 틀에 프리폼을 배치하고, 고화하는 고화 공정을 포함하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 노치 프리프레그는 노치 프리프레그의 상기 영역 내에서 임의로 선택되는, 10개의 직경 10㎜의 원형 소영역 내에 포함되는 노치의 개수를 모집단으로 한 경우에 모집단의 평균값이 10 이상이고 변동계수가 20% 이내인 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   노치와 강화 섬유의 배향 방향이 이루는 각도 θ의 절대값이 실질적으로 동일하고, θ가 정인 정노치와 θ가 부인 부노치를 대략 동수 포함하여, 임의의 노치와 상기 노치의 연장선 상에 존재하는 최근접하는 다른 노치의 간격에 대해서, 정노치끼리의 간격과 부노치끼리의 간격에서 길이가 다른 노치 프리프레그.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
   프리폼에 면외 변형이 적어도 하나 포함되고, 상기 면외 변형의 높이가 프리프레그 적층체의 평균 두께의 0.5배 이상 3배 이하인 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
   부형 공정에 있어서 대략 틀 형상으로 한 프리폼의 적어도 일부에 대하여, 전단력을 가하면서 상기 틀에 압박하여 평탄화하는 섬유 강화 플라스틱의 제조 방법.
6. 수지와 강화 섬유를 포함하고, 평면부와 곡면부를 갖는 섬유 강화 플라스틱으로서,
   섬유 강화 플라스틱은 적어도 일부가 분단된 강화 섬유가 일방향으로 배향하고, 또한 강화 섬유의 배향 방향에 인접하는 섬유속 사이에 수지부(P)가 존재하고,
   수지부(P)의 단부끼리를 잇는 선분이 강화 섬유의 배향 방향에 대하여 비스듬하게 배치된 수지부(P)를 갖는 층을 층 A로 할 때, 섬유 강화 플라스틱은 곡면 부의 내주보다 외주에 가까운 측에 층 A를 포함하는 섬유 강화 플라스틱.
7. 제 6 항에 있어서,
   층 A의 면내의 임의의 수지부(P)에 있어서 상기 수지부(P)의 윤곽과 접하고, 거리가 최단으로 되는 2개의 평행선을 그렸을 때, 평행선의 거리의 평균값이 0.2㎜ 이하인 섬유 강화 플라스틱.
8. 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
   층 A 중의 수지부(P)의 체적의 합계가 상기 층 A의 체적의 5% 이하인 섬유 강화 플라스틱.

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